CN111318960A - 一种底面具有波浪结构的保持环和承载头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种底面具有波浪结构的保持环和承载头，所述保持环由环形部构成，所述环形部由金属部和非金属部层叠胶合而成；所述环形部包括顶面、底面、外侧面和内侧面，所述顶面与承载头固定连接，所述底面与抛光表面抵接，所述外侧面设置于环形部的外侧并连接顶面与底面，所述内侧面设置于环形部的内侧并连接顶面与底面，所述底面设置有连通内侧面和外侧面的供液槽；所述顶面设置有螺纹孔，所述螺纹孔位于所述供液槽的对应位置。

Description

一种底面具有波浪结构的保持环和承载头
技术领域
本发明属于化学机械抛光技术领域，具体而言，涉及一种底面具有波浪结构的保持环和承载头。
背景技术
化学机械抛光(Chemical Mechanical Planarization,CMP)是一种全局平整化的超精密表面加工技术。这种抛光方法通常将基板吸合于承载头的下部，基板具有沉积层的底面抵接于旋转的抛光垫，承载头在驱动部件的带动下与抛光垫同向旋转并给予基板向下的载荷；同时，抛光液供给于抛光垫与基板之间，在化学和机械的共同作用下实现基板的材料去除。
承载头的下部设置有保持环，其在基板抛光中的作用如下：一方面，保持环可以防止抛光过程的基板从承载头的底部飞出；另一方面，保持环的底部设置有沟槽，其可以更新基板与抛光垫之间的抛光液；再者，保持环抵压于抛光垫参与基板边缘压力的调整，有利于实现基板的全局平坦化。一般情况下，为了追求保持环底面的平整度需要在使用新的保持环的时候进行磨合(break in)以使新的保持环的底面平整度达到预设要求，为了缩短磨合的时间，诸如CN1910012B等技术将保持环的底面设置为规律性的波浪结构，但一般需要诸如CN105563306B所披露的复杂的工装组合来产生这类微波浪结构。
发明内容
本发明旨在至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明第一个方面提供了一种底面具有波浪结构的保持环，所述保持环由环形部构成，所述环形部由金属部和非金属部层叠胶合而成；所述环形部包括顶面、底面、外侧面和内侧面，所述顶面用于与承载头固定连接，所述底面用于与抛光表面抵接，所述外侧面设置于环形部的外侧并连接顶面与底面，所述内侧面设置于环形部的内侧并连接顶面与底面，所述底面设置有连通内侧面和外侧面的供液槽；所述顶面设置有孔径不同的螺纹孔，所述螺纹孔位于所述供液槽的竖直上方，使得固定于承载头的保持环的底面沿圆周长度方向形成高度不同的波浪结构。
波浪作为优选实施例，所述螺纹孔相对于环形部的中心对称分布，相邻螺纹孔距环形部中心的距离不相等。
作为优选实施例，相邻螺纹孔的孔径不相等。
作为优选实施例，环形部内侧的螺纹孔与外侧面的距离为环形部宽度的1/2-2/3。
作为优选实施例，环形部外侧的螺纹孔与外侧面的距离为环形部宽度的1/4-1/2。
作为优选实施例，所述保持环的底面的平面度介于5μm-10μm。
作为优选实施例，所述螺纹孔内设置有螺纹套，所述螺纹套为钢丝螺纹套，所述钢丝牙套的表面涂覆有保护涂层。
作为优选实施例，所述保护涂层为聚四氟乙烯。
作为优选实施例，相邻螺纹孔的螺孔深度不相等。
本发明第二个方面提供了一种承载头，用于化学机械抛光，其包括上面所述的保持环。
本发明公开了一种底面具有波浪结构的保持环和承载头，在保持环的顶面设置不同位置及尺寸的螺纹孔以产生所述波浪结构从而缩短保持环的磨合时间，控制化学机械抛光的成本。
附图说明
通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的优点将变得更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不限制本发明的保护范围，其中：
图1是本发明所述底面具有波浪结构的保持环的结构示意图；
图2是本发明所述底面具有波浪结构的保持环第一个实施例的示意图；
图3是图1中对应的保持环的俯视图；
图4是本发明所述底面具有波浪结构的保持环第二个实施例的示意图；
图5是本发明所述底面具有波浪结构的保持环第三个实施例的示意图；
图6是本发明所述保持环第四个实施例的结构示意图；
图7是本发明所述承载头的结构示意图；
图8是本发明保持环底面的高度差的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例及其附图，对本发明所述技术方案进行详细说明。在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解为对本发明实施方式及本发明保护范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书及其说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。
本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。应当理解的是，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制，相同的参考标记用于表示附图中相同的部分。
在本发明中，“化学机械抛光(CMP,Chemical Mechanical Polishing)”也称为“化学机械平坦化(CMP,Chemical Mechanical Planarization)”，“基板(substrate)”也成称为“晶圆(wafer)”，其含义和实际作用等同。
图1是本发明所述底面具有波浪结构的保持环1的结构示意图。保持环1由环形部10构成，所述环形部10包括顶面10c、底面10d、外侧面10b和内侧面10a。所述顶面10c与承载头固定连接，具体地，其设置于承载头基座的下部，这样，基座的下部与环形部10的内侧形成一个空间，待抛光的基板设置于该空间内。所述底面10d与抛光表面抵接，具体地，环形部的底面10d与抛光垫的上表面抵接。所述外侧面10b设置于环形部10的外侧并连接于顶面10c与底面10d之间，所述内侧面10a设置于环形部10的内侧并连接于顶面10c与底面10d之间。在环形部的底面10d还设置有供液槽13，抛光液经由环形部10的供液槽输送至基板与抛光垫之间以参与化学作业和机械作业的抛光。
作为本发明的一个实施例，环形部10的顶面10c设置有螺纹孔20，锁紧螺栓通过螺纹孔20将保持环1固定于承载头的底部。图3是图1所示的底面具有波浪结构的保持环1的俯视图。所述顶面10c设置有孔径不同的螺纹孔20，所述螺纹孔20位于所述供液槽13的竖直上方，使得固定于承载头的保持环1的底面10d形成高度不同的波浪。
本发明中，保持环1固定于承载头下部的后，保持环1环形部10的底面展开为平面后，会产生一定的高度差。图8示出了保持环1的底面展开后，沿保持环的周向会产生移动的波峰及波谷，即出现一定的高度差。保持环底面的高度差有利于缩短保持环的磨合时间，控制化学机械抛光的成本。在一些实施例中，固定于承载头的保持环1的底面的平面度介于0.1μm-30μm，以边缩短保持环的磨合时间，控制化学机械抛光的成本。
为了描述的便捷性，现规定临近环形部内侧面的螺纹孔为内侧螺纹孔20a，相应的，临近环形部外侧面的螺纹孔为外侧螺纹孔20b。在图2所示的实施例中，设置于环形部10的顶面10c的内侧螺纹孔20a与外侧螺纹孔20b距离环形部10中心的距离不相等。螺纹孔20设置沿环形部10的径向设置，有利于沿保持环的径向产生高度差，以便缩短保持环的磨合时间。
内侧螺纹孔20a与环形部10外侧面的距离为环形部宽度的1/2-2/3，优选地，内侧螺纹孔20a与环形部10外侧面的距离为环形部宽度的7/12。外侧螺纹孔20b与环形部10内侧面的距离为环形部宽度的1/4-1/2，优选地，外侧螺纹孔20b与环形部10内侧面的距离为环形部宽度的3/8。在图2所示的实施例中，内侧螺纹孔20a与环形部10外侧面的距离为L1，其中，L1的取值范围为5mm-20mm；外侧螺纹孔20b与环形部10外侧面的距离为L2，其中，L2的取值范围为2mm-10mm。
作为本发明的一个实施例，内侧螺纹孔20a与外侧螺纹孔20b对应的螺孔孔径可以相同，如图3所示。内侧螺纹孔20a的螺孔深度大于所述外侧螺纹孔20b的螺孔深度，以均衡连接保持环的锁紧螺栓对环形部向上的拉力，控制环形部10的底面10d的平整度。具体地，内侧螺纹孔20a的螺孔深度为外侧螺纹孔20b的螺孔深度的110％-160％，优选地，内侧螺纹孔20a的螺孔深度为外侧螺纹孔20b的螺孔深度的130％。在一些实施例中，内侧螺纹孔20a的螺孔深度为8mm，以便与锁紧螺栓连接以调节环形部10底面的平整度。
作为本发明的另一个实施例，内侧螺纹孔20a与外侧螺纹孔20b对应的螺孔孔径可以不同，如图2所示。在该实施例中，外侧螺纹孔20b的孔径略大于内侧螺纹孔20a的孔径。在一些实施例中，外侧螺纹孔20b的孔径为内侧螺纹孔20a的孔径的110％-140％。在图2所示的实施例中，内侧螺纹孔20a的大径为13.157mm，中径为12.301mm,小径为11.445mm。
作为本发明的一个实施例，环形部10的顶面10c可相邻2-4个内侧螺纹孔20a设置一个外侧螺纹孔20b，以均衡连接保持环的锁紧螺栓对环形部向上的拉力，控制环形部10的底面10d的平整度。优选地，环形部10的顶面10c可相邻3个内侧螺纹孔20a设置一个外侧螺纹孔20b。
作为本发明的另一个实施例，通过调整环形部10顶面10c的螺纹孔20的设置位置、螺孔孔径以及螺孔深度实现保持环的锁紧螺栓对环形部向上的拉力，以控制保持环底面的平面度。优选地，保持环底面的平面度介于5μm-10μm。
本发明中，保持环1的环形部10的顶面的螺纹孔20与环形部10中心位置的距离也可以相等。螺纹孔20的螺孔孔径相同而相邻螺纹孔20的螺孔深度不同，如图4所示。螺纹孔20的螺孔深度与相邻螺纹孔20的螺孔深度相差20％-50％。优选地，相邻螺纹孔20的螺孔深度相差30％。作为本是实施例的一个变体，如图5所示，环形部10的顶面的螺纹孔20与环形部10中心位置的距离相等，相邻螺纹孔20的螺孔孔径不同。在一些实施例中，相邻螺纹孔20的螺孔孔径相差10％-80％，优选地，相邻螺纹孔20的螺孔孔径相差20％-40％。
由于金属部11一般由密度适中的金属材料制成，如铝合金。在金属部11加工螺纹孔，锁紧螺栓反复拆装会影响保持环固定的可靠性。因此，在保持环的环形部的顶面设置螺纹套14，即环形部10的螺纹孔20处设置螺纹套14，如图6所示。
作为本发明的一个实施例，所述螺纹套14为钢丝螺纹套，所述钢丝螺纹套的表面涂覆有保护涂层。所述保护涂层能够增加锁紧螺栓对保持环向上的提拉力，增强保持环底面平面度的控制。作为本实施例的一个方面，所述保护涂层为聚四氟乙烯。保护涂层为超细聚四氟乙烯粉末，其喷涂于螺纹套14的内部。可以理解的是，保护涂层也可以为聚乙烯(PE)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚氨酯(PU)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、尼龙(Nylon)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和/或聚甲醛(POM)。
作为本实施例的一个变体，带有保护涂层的螺纹套14可间隔设置于环形部10顶面10c的螺纹孔20，以控制保持环底面的平面度。在一些实施例中，带有保涂层的螺纹套14可间隔2-4个螺纹孔20设置，优选地，带有保涂层的螺纹套14可间隔2个螺纹孔20设置，以便控制保持环底面的平面度。
为了便于设计和加工，所述螺纹孔20一般设置于所述供液槽13的侧壁的正上方或所述供液槽的上表面的中心，以便降低加工成本。进一步的，为了更有效的产生所述波浪结构，所述螺纹孔20的外径应为所述供液槽13宽度的1.5倍至3倍。
本发明第二个方面提供了一种用于CMP的承载头2，其结构示意图，如图7所示，其包括上面所述的保持环1，通过调整保持环的环形部10顶面10c的螺纹孔20的设置位置、螺孔孔径以及螺孔深度实现保持环的锁紧螺栓对环形部向上的拉力，以控制保持环底面的平面度。保持环底面的平面度控制在于7μm左右，以缩短保持环的磨合时间，控制化学机械抛光的成本。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种底面具有波浪结构的保持环，其特征在于，所述保持环由环形部构成，所述环形部由金属部和非金属部层叠胶合而成；所述环形部包括顶面、底面、外侧面和内侧面，所述顶面用于与承载头固定连接，所述底面用于与抛光表面抵接，所述外侧面设置于环形部的外侧并连接顶面与底面，所述内侧面设置于环形部的内侧并连接顶面与底面，所述底面设置有连通内侧面和外侧面的供液槽；所述顶面设置有孔径不同的螺纹孔，所述螺纹孔位于所述供液槽的竖直上方，使得固定于承载头的保持环的底面沿圆周长度方向形成高度不同的波浪结构。
2.如权利要求1所述的保持环，其特征在于，所述螺纹孔相对于环形部的中心对称分布，相邻螺纹孔距环形部中心的距离不相等。
3.如权利要求1所述的保持环，其特征在于，相邻螺纹孔的螺孔孔径不相等。
4.如权利要求2所述的保持环，其特征在于，环形部内侧的螺纹孔与外侧面的距离为环形部宽度的1/4-1/2。
5.如权利要求2所述的保持环，其特征在于，环形部外侧的螺纹孔与外侧面的距离为环形部宽度的1/2-2/3。
6.如权利要求1所述的保持环，其特征在于，所述保持环的底面的平面度介于5μm-10μm。
7.如权利要求1所述的保持环，其特征在于，所述螺纹孔内设置有螺纹套，所述螺纹套为钢丝螺纹套，所述钢丝牙套的表面涂覆有保护涂层。
8.如权利要求7所述的保持环，其特征在于，所述保护涂层为聚四氟乙烯。
9.如权利要求1所述的保持环，其特征在于，相邻螺纹孔的螺孔深度不相等。
10.一种承载头，用于化学机械抛光，其特征在于：包括权利要求1-9任一项所述的保持环。
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